干细胞分化调控机制研究的新进展

干细胞分化调控机制研究的新进展柳翠华药营11302班摘要：干细胞具有自我更新和多向分化潜能，使之成为再生医学、组织工程和创伤修复等研究领域的热点。明确干细胞分化调控机制是干细胞应用的重要前提和理论基础，现对近期干细胞分化调控研究进展作一综述，包括胚胎干细胞分化调控机制研究，成体干细胞分化调控机制的研究领域的新进展。关键词：干细胞调控转录细胞分化干细胞分类干细胞理论上具有无限分裂能力，在特定条件下，可分化成特定组织。如下图所示：全能性干细胞神经干细胞，皮肤干细胞，胰脏,心脏等器官或组织之干细胞

全能性干细胞神经干细胞，皮肤干细胞，胰脏,心脏等器官或组织之干细胞干细胞按其分化潜能的大小，，可分为3型：全能干细胞,具有分化为几乎所有组织和器官的能力；多能干细胞，具有分化出多种组织和器官的潜能；专能干细胞。终末分化细胞〔Oct4）图门干鋁驰多能炷.g于童日匏主物学対三八重.点——自我更钛“分化和至新绦程•罗列在这昱展示■■■-根据干细胞分化阶段的不同，大致分为胚胎干细胞（羔打ysi化珀关的基舌分化克咸具儒毋葩系匚分化的体申舱垂新娈翌第能■注找态雷匚CB.）第种圭素巻与了進持肛胎二£日的的Oct」表达匚cstemcell,ESC）和成体干细胞（adultstemcel1,ASC）O胚胎干细胞主要包括受精卵分裂发育成囊胚时内层细胞团，以及从早期胎儿生殖嵴分离得到的胚胎生殖嵴细胞，这两种细胞均具有全能性，可分化为各种类型的体细胞，甚至可独立地产生完整的机体。成体干细胞存在于成人的各种组织中，参与组织更新、创伤修复等过程。它能进行“横向分化”（或称其为“可塑性”），即由一种组织的成体干细胞分化成其它组织细胞。目前研究较多的成体干细胞有：神经干细胞（NSC）、造血干细胞（HSC）、间充质干细胞（MSC）、表皮干细胞、肝干细胞、胰腺干细胞、心肌干细胞、视网膜干细胞、角膜干细胞等。胚胎干细胞分化调控机制研究1.胚胎干细胞（ES细胞）诱导分化的研究ES细胞分化的实质是胚胎发育过程中特异蛋白质的合成。而任何特异蛋白质都是由它相对应的特异基因所决定，细胞分化可归结为基因组中的特定基因按一定顺序相继活化和表达［1］。ES细胞能够在机体外保持未分化状态是因为有分化抑制因子的存在，如LIF、DIA等。在缺乏分化抑制因子的条件下，ES细胞分化为各种细胞。ES细胞定向诱导分化的途径可概括为三种：细胞/生长因子诱导法、转基因诱导法及细胞共培养法。细胞/生长因子诱导ES细胞分化法主要的因子包括：维甲酸（RA）、骨形态发生蛋白（BMPs）、成纤维细胞生长因子（FGFs）等°RA是一种强烈的神经分化诱导剂，它主要通过细胞表面受体RA受体起作用。RA受体有两类：RARs和RXRs，但具体通过那种受体起作用尚不清楚°Wi1son等［2］证实，FGF信号可以通过抑制BMPs表达，从而促进胚胎发育产生神经细胞，Xu等［3］研究证明BMP-4可以诱导人ES细胞分化。越来越多的研究证明多种细胞因子共同作用促进ES细胞定向诱导分化的效率更高，只要在应用这些因子组合时确保它们的诱导分化方向一致。转基因诱导ES细胞分化法：利用某种合适的病毒作为载体将需要的细胞/生长因子的基因导入ES细胞中，在细胞内诱导产生因子，从而诱导该细胞分化，诱导产生的细胞较单纯用该因子诱导产量高，纯度好。也可将某些信号转导因子的基因转入ES细胞中，可以有效的诱导ES细胞特异分化。BurdonT等［4］利用腺病毒一5载体(Adv—F/RGD)将人骨形成蛋白一2(BMP2)基因导入人骨髓间充质干细胞(hMSC)中，结果发现导入该基因后增加了hMSC在体外的成骨活性，并且在异位模型中，导入BMP2的hMSC在1周后诱导生成的新骨较其它组多。细胞共培养法诱导ES细胞分化：李吉霞等［5］证明人ES细胞与鼠骨髓细胞系S17或卵黄囊内皮系C166共培养，可促进人ES细胞向造血前体细胞分化。Mummery等将人的ES细胞与鼠血管内胚层样细胞(END—2)共培养，诱导出心肌细胞。目前ES细胞诱导分化成功的细胞类型有很多，其中最理想的分化模型是向造血细胞诱导分化，国内外的学者均有报道。向神经细胞的分化也有许多报道，但存在神经细胞分化纯度低，且不能定向诱导分化成特异性的神经元(如感觉神经及运动神经元等)的问题。最近ZhouY等研究基于Bain的4一/4+方法利用全反式维甲酸结合星型细胞培养条件诱导产生高纯度的神经细胞。ShinS等的研究将胚胎干细胞向神经细胞分化推上更高层次，成功的将人胚胎干细胞诱导分化成具有运动神经元表型的细胞。向心肌细胞分化也屡见报道，但分化的量比较低，马勇江等】6］研究发现人胚胎干细胞向心肌细胞分化的量与牛血清的含量成反比，即在无血清培养条件下分化的心肌细胞量更高，这为将来进行细胞替代治疗提供了产生足够量细胞的途径°ES细胞还可以诱导分化成肝细胞、胰岛素分泌细胞、骨骼肌细胞、脂肪细胞、原始内胚层细胞等3个胚层内所有的细胞。2.胚胎干细胞相关转录调节因子与其信号通路的研究ES细胞的生长、分化、增殖与多种转录调节因子密切相关，所以要研究ES细胞，就必须对ES相关转录调节因子及其信号通路有所了解。通过近年来的研究表明，ES细胞的相关信号通路大致可概括为两类：JAK—STAT3和MARKIERK这两个相互拮抗的通路，其信号调节模式为：胞外信号（配体）与细胞表面受体结合后，激活与该受体耦联的酪氨酸激酶（JAK）,JAK活化后使STAT3和ERK上的酪氨酸磷酸化，活化后的STAT3和ERK进一步调节ES细胞特定基因的表达，使其增殖或分化。此外，酪氨酸磷酸酶（SHP—2）亦可直接或通过调节ERK的活性间接参与ES细胞增殖或分化的调节。胚胎干细胞相关的细胞因子可分为两大类：分化抑制因子和生长因子。分化抑制因子中的白血病抑制因子（LIF）是人们较早认识的因子，它的主要功能是抑制ES细胞的分化，促进其增殖°LIF分为分泌型（D型）和基质型（M型），M型LIF的表达在ES细胞分化前后保持恒定，D型LIF则在ES体外分化时表达量才显著提高。与其作用相似的还有白细胞介素6（IL—6）、抑瘤素M（OSM）、心肌营养因子（CT—1）。LIF、IL—6通过信号受体复合物gpl30激活JAK及STAT3信号途径调节ES细胞保持自我更新和全能性［10〜12］。生长因子包括碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）、表皮生长因子（EGF）、干细胞因子（SCF）、胰岛素样生长因子一1（IGF—1）、forskolin等。FGF2通过细胞表面的FGF受体（FGFR）调节机体的生长和发育。FGFR属于酪氨酸激酶受体一类，FGF—2诱导的信号转导为正常细胞生长分化所必需，它参与血管新生，胚胎发育，骨骼形成等生理过程。成体干细胞分化调控机制的研究1・成体干细胞（ASC）诱导分化的研究近年来的研究表明几乎所有的组织都存在干细胞，ASC在组织和器官损伤和再生中起关键作用，使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。影响ASC分化的因素简单的说就是ASC所处的特定的微环镜（龛）。龛由基质细胞组成，他们通过直接的细胞一细胞接触和通过释放可溶的因子维持干细胞的典型特征。目前发现的ASC有：造血干细胞（HSC）、神经干细胞（NSC）、间充质干细胞（MSC）、表皮干细胞、肝干细胞、胰腺干细胞、心肌干细胞、视网膜干细胞、角膜干细胞等。以下就目前研究较多、较深入的HSC、NSC、MSC的诱导分化及其机制进行简要介绍。HSC在个体发生期间形成，主要位于主动脉一生殖腺区域和胎肝。成体HSC主要存在于骨髓，成体HSC可被动员到外周血中。它在不同的细胞因子作用下能够在体外扩增和向不同血细胞定向分化，如红细胞生成素（EPO）促使HSC向红系分化，粒细胞集落刺激因子、巨噬细胞集落刺激因子和粒细胞一巨噬细胞集落刺激因子使HSC向粒系分化，血小板生成素向巨核系分化，HSC也可以向血系以外的细胞分化。吴军等研究将以血细胞分离机分离动员的外周血造血干细胞（PBSC），加入rhGM—CSF、rhIL-4和rhTNF-a组合细胞因子培养获得的树突状细胞（DC）给予钙离子载体（CI）A23187处理后可获得更成熟及功能更强的DC。结合各种生长因子的不同作用，1998年Shi等首先发现体外在IGF—1、VEGF和bFGF存在下骨髓CD34+细胞的亚群能分化为内皮细胞。这些研究证明HSC具有多分化潜能，可以跨系及跨胚层分化。NSC来源于成人及胚胎的中枢及周围神经系统，可分化为不同类型的神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。目前神经干细胞诱导分化的研究主要是对鼠NSC的研究，对人的NSC的诱导分化较少见。刘卫平等】7]利用寡核苷酸序列特异性阻断了碱性螺旋环螺旋（bHLH）基因家族的调控因子之一Hesl，解除了其对bHLH的抑制，促进了神经干细胞向神经元的分化。实验还发现，阻断Hesl后大大提高了神经干细胞向Y—氨基丁酸(GABA)能神经元分化的比率°ZhuL的研究发现组织缺氧促进NSC分化产生更多的产多巴胺能神经元，这可能是由于缺氧诱导因子—1(HIF—1)信号通路起作用。成人的MSC主要来源于骨髓，是具有多向分化潜能的成体干细胞。骨髓MSC是体外培养的骨髓基质细胞群体中的一类细胞组分。在合适的条件下，MSC可诱导分化为间充质组织细胞，如成骨细胞和其他结缔组织细胞，MSC也可分化为神经细胞、肝细胞及肌肉细胞。马国涛等［8］研究证明骨髓间充质干细胞可在体外经5—氮杂胞苷诱导后转分化为肌源性细胞。杨萍等［9］研究将bFGF、NGF、维甲酸、0—巯基乙醇等诱导可以在体外诱导小鼠骨髓基质细胞分化成表达NF—200和GFAP细胞。2•成体干细胞的自我更新调控机制的研究HSC自我更新的调控机制目前尚不清楚，研究表明其自我更新及分化很大程度上受外部信号控制，通过胞内或外来信号决定其命运，这种控制作用通过调节其内部因素即有丝分裂和不等分配来实现。经典的发育调控通路—wnt信号通路在HSC自我更新调控中起关键作用［10］,还发现其它信号通路也参与了HSCs自我更新的调控，如Hox、Notch.Sonichedgehog(Shh)等信号通路。一些Hox基因如HoxB4和HoxA9的过表达能导致HSCs群体在体内和体外的选择性扩增，从而说明他们与HSCs的自我更新紧密相关［11］。NSC的分化可能存在细胞自身基因调控和外来信号调控两种机制。许多转录因子参与细胞基因的调控，bHLH转录调控因子参与NSC的分化，N—CoR作为转录抑制因子，阻止NSC向胶质细胞分化，Insc(Inscntes—ble)是调节不对称分裂过程的重要基因，它们在特定时间通过某一途径被启动后，引起或关闭下游基因的表达，决定着NSC的分化命运；外来信号调控主要是NSC所处的微环境及细胞因子和细胞外基质蛋白等共同作用的结果。我国干细胞研究概况需要：我国人口多，需要干细胞移植治疗的疾病发病率与其他国家相同。迫切：我国家庭结构以独生子女为主，能提供具有相同或相关基因组织器官的可能性低，因此对干细胞及其衍生组织需求量大，迫切。1999—2008各国干细胞的研究趋势7000r研究与运用：我国的干细胞研究和运用有一定基础，研究和运用最多的是造血干细胞。如骨髓移植治疗血液病于20世纪70年代末开始，90年代以来已逐步普及应用外周血和脐血干细胞移植治疗血液病和肿瘤。结语干细胞分化调控机制的研究为进一步了解干细胞多向分化潜能打下基础，为将来干细胞在各方面应用时减少摸索的时间。了解分化调控机制后就可以利用及引导干细胞向着所需要的方向发育生长。相信随着科学技术的不断发展，干细胞会给人们带来巨大的益处。五•参考文献叶寒青，陈松林.动物胚胎干细胞诱导分化的研究进展.生物技术通报，2003,(6)：1〜4。WilsonSI,GlazianoE,HarlandR,etal.Anearlyrequire—mentforFGFsignalingintheacquisitionofneuralcellfateinthechickembryo.CurrBiol,2000,10：421〜429。XuRH,ChenX,LiDS,etal.BMP4initiateshumanem—bryonicstemcelldifferentiationtotrophoblast.NatBiotech,2002,20(12)：1261〜126.BurdonT,ChambersI,StraceyC,eta1.Signalingmecha—nismsregulatingself一renewalanddifferentiationofpluripotentembryonicstemcells.CellsTissu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